薛開(kāi)慶，張 濤

(1.西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院，四川成都 610039；2.西華大學(xué)心理健康服務(wù)與研究中心，四川成都 610039)

1 引言

血氧動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù)(hemodynamic response function，HRF)是一個(gè)單位強(qiáng)度瞬時(shí)刺激所引起的事件相關(guān)(event-related)的血氧水平依賴(lài)(blood oxygen level dependent，BOLD)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程[1]。已有研究表明HRF函數(shù)的形態(tài)在不同被試、不同腦區(qū)都存在差異，甚至同一個(gè)被試的同一腦區(qū)在不同時(shí)刻的HRF函數(shù)也可能存在一定差異[2]。然而，在先前研究中大都預(yù)設(shè)了一個(gè)固定HRF函數(shù)，這個(gè)函數(shù)要么由Gamma變量函數(shù)生成、要么由Glover函數(shù)生成，或直接使用工具軟件SPM(Statistical Parametric Mapping)的標(biāo)準(zhǔn)HRF函數(shù)[3]。

近年來(lái)，腦電(electroencephalogram，EEG)和功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的同步采集技術(shù)為評(píng)估發(fā)作間期癲癇放電引起相關(guān)腦功能的變化開(kāi)啟了機(jī)會(huì)的大門(mén)。在癲癇病人中，顯示fMRI信號(hào)改變的腦區(qū)可能被推測(cè)為潛在致癇區(qū)，這些腦區(qū)可能受到發(fā)作間期癲癇放電的影響[4]。由于EEG具有高時(shí)間分辨率而fMRI具有高空間分辨率，那么同步EEG-fMRI融合技術(shù)則取長(zhǎng)補(bǔ)短，已經(jīng)被用來(lái)研究癲癇病人發(fā)作間期放電相關(guān)的血氧動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程。2009年，Tyvaert等人采用傅立葉集來(lái)討論丘腦和皮層之間的相互影響在癲癇放電的產(chǎn)生和傳播過(guò)程中所起的作用[5]。研究表明一些疾病，如癲癇、大腦半球腫瘤、水腫和腦血管意外等都可能改變HRF函數(shù)的形狀[6]。

兒童良性癲癇是一種兒童特發(fā)性局灶性癲癇綜合征，大約占所有兒童癲癇的17%。兒童良性癲癇發(fā)作通常在1至10歲之間。傳統(tǒng)上認(rèn)為兒童良性患兒預(yù)后良好，成年前癲癇發(fā)作緩解，故被認(rèn)為是一種“良性”癲癇病。然而，近年來(lái)隨著對(duì)兒童良性癲癇的神經(jīng)心理生理學(xué)的深入研究，發(fā)現(xiàn)部分兒童良性癲癇患者存在認(rèn)知功能障礙，他們的記憶、注意、語(yǔ)言和執(zhí)行力受到某種程度的損傷[7，8]。研究也證明患兒表現(xiàn)出抑郁和焦慮的可能性增加，因而良性癲癇患兒應(yīng)該盡早接受正規(guī)的檢查和治療干預(yù)[9]。之所以出現(xiàn)這些情況，因?yàn)檫@一階段正處于大腦發(fā)育的關(guān)鍵和脆弱時(shí)期，異常的癲癇放電可能影響了大腦的發(fā)育。本研究了主要關(guān)注兒童良性癲癇患者放電引起的HRF函數(shù)的變化情況。

2 材料與方法

2.1 被試

本研究中的被試招募的標(biāo)準(zhǔn)如下：1)根據(jù)國(guó)際抗癲癇聯(lián)盟(ILAE)2001年標(biāo)準(zhǔn)對(duì)患者進(jìn)行診斷，被首次診斷為兒童良性癲癇，之前從未服用過(guò)抗癲癇藥物；2)患者沒(méi)有其他伴隨性的神經(jīng)生理疾??；3)在常規(guī)磁共振檢查中未發(fā)現(xiàn)患者的腦結(jié)構(gòu)存在明顯異常；4)對(duì)患者進(jìn)行24小時(shí)視頻EEG記錄，并且至少記錄了一個(gè)在中央顳葉區(qū)的棘波放電；5)患者智商IQ>70，并接受正常的學(xué)校教育?；颊吲懦闆r如下：1)T1或T2加權(quán)磁共振圖像上有局灶性腦損傷；2)在磁共振掃描程中入睡；3)掃描時(shí)頭部運(yùn)動(dòng)超出限制(平移>3mm或旋轉(zhuǎn)度>3O)；4)掃描前服用了藥物，5)IQ <70。經(jīng)過(guò)上述處理過(guò)程，最終6名兒童良性癲癇患者被納入本研究，其中男性與女性各3例，年齡[平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差]：100.2±10.9月，均為右利手。所有孩子的父母或監(jiān)護(hù)人均書(shū)面知情同意參加本研究?；颊吲R床資料如表1所示。

表1 患者的臨床資料

2.2 fMRI數(shù)據(jù)的獲取

本研究使用德國(guó)西門(mén)子3.0T磁共振掃描儀采用快照(snapshot)梯度回波平面成像(echo-planar imaging，EPI)采集了6名兒童良性癲癇患者的fMRI數(shù)據(jù)。具體參數(shù)如下：30層，TR=2000ms，TE=30 ms，偏轉(zhuǎn)角=90°，視野=24cm×24 cm，矩陣=64×64，體素大小=3.75×3.75×5mm3。對(duì)每個(gè)被試，fMRI數(shù)據(jù)采集7分鐘，總共記錄了205個(gè)圖像(Volume)。在數(shù)據(jù)掃描期間，要求被試閉眼身心盡量放松，不要刻意去想具體某一件事情，但同時(shí)避免入睡。每個(gè)患者均進(jìn)行了3次掃描。進(jìn)一步使用梯度回波序列采集了每個(gè)患者3D-T1加權(quán)像，生成176層軸位(層厚：1mm，沒(méi)有間隔)，TR=1900ms，TE=2.52 ms，視野=24cm×24cm，偏轉(zhuǎn)角=12°，體素大小=0.98mm×0.98mm×1mm。

2.3 EEG數(shù)據(jù)的獲取

EEG數(shù)據(jù)需要與fMRI數(shù)據(jù)同步采集。具體做法是首先把18道與MRI兼容的Ag/AgCl電極放置在每個(gè)被試的頭皮，然后讓被試平躺在磁共振設(shè)備中，同步采集EEG和fMRI數(shù)據(jù)。電極采集的EEG信號(hào)非常微弱，必須通過(guò)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，通過(guò)光纖連接到房間外的記錄監(jiān)視器。采樣頻率被設(shè)定為4kHz，EEG的動(dòng)態(tài)范圍保持在±65.5毫伏，以防止MRI偽影。由于強(qiáng)磁場(chǎng)的影響，EEG數(shù)據(jù)中存在較強(qiáng)的磁共振偽影，本研究使用離線(xiàn)BE-MRI工具軟件(Galileo New Technolog)[10]來(lái)消除這些偽影，然后邀請(qǐng)了一位神經(jīng)病學(xué)專(zhuān)家直接觀測(cè)偽影校正后的EEG記錄，并為每一個(gè)兒童良性癲癇患者標(biāo)記放電的時(shí)刻、位置、幅度和數(shù)目等信息。

2.4 fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理

所有fMRI數(shù)據(jù)的預(yù)處理都是利用工具軟件SPM2(http:∥www.fil.ion ucl.ac.uk/SPM)進(jìn)行。為了確保磁化平衡，每次采集的前5個(gè)Volume被丟棄。然后在剩余的200個(gè)Volumes中進(jìn)行分層時(shí)間校正、3D頭動(dòng)檢測(cè)和校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化到MNI EPI模板以及使用統(tǒng)一Gaussian核(8毫米的半高寬)進(jìn)行空間平滑[11]。如果一個(gè)被試頭動(dòng)的水平位移大于3mm或在每個(gè)軸的角轉(zhuǎn)動(dòng)大于3°，這個(gè)被試的數(shù)據(jù)將被排除，不再繼續(xù)分析處理。然后利用線(xiàn)性回歸模型進(jìn)一步降低頭動(dòng)、腦脊液，白質(zhì)和全局信號(hào)(平均全腦信號(hào))的影響[12]。最后使用時(shí)間帶通濾波(0.01～0.08Hz)對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行處理，以便降低低頻漂移和高頻噪音的影響[13]。

2.5 數(shù)據(jù)處理

癲癇患者EEG-fMRI同步采集的數(shù)據(jù)分析通常使用一般線(xiàn)性模型(General Linear Model，GLM)，該模型的設(shè)計(jì)矩陣中需要血氧動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的先驗(yàn)知識(shí)，然后通過(guò)參數(shù)估計(jì)去解釋測(cè)量數(shù)據(jù)[14]。設(shè)計(jì)矩陣中通常引入現(xiàn)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)中所有的實(shí)驗(yàn)控制的因素和潛在的混淆因子。在本研究中使用SPM2軟件包和Matlab2015軟件，設(shè)計(jì)矩陣是由以下兩組回歸因子組成[11]：

傅立葉集(Fourier set)：通過(guò)卷積一個(gè)時(shí)間序列的IED時(shí)間標(biāo)記，帶8個(gè)Sin和Cosin函數(shù)的回歸參數(shù)，然后通過(guò)漢明(Hanning)窗進(jìn)行調(diào)制，時(shí)間窗口為32秒。然后對(duì)這個(gè)時(shí)間窗口上面的事件起始點(diǎn)，把發(fā)作放電作為時(shí)間序列進(jìn)行卷積。該模型假設(shè)可以為一個(gè)線(xiàn)性低通系統(tǒng)的輸出，作為輸入一個(gè)脈沖時(shí)的血氧動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行建模。

混淆集：頭動(dòng)的影響通過(guò)6個(gè)頭運(yùn)動(dòng)參數(shù)(3個(gè)方向的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù))進(jìn)行建模。

整個(gè)設(shè)計(jì)矩陣，如圖1所示，實(shí)線(xiàn)框所圈為傅里葉集，包括8個(gè)Sin和Cosin函數(shù)構(gòu)成的回歸參數(shù)，而虛線(xiàn)框所圈為混淆集，表示6個(gè)頭動(dòng)參數(shù)。

圖1 設(shè)計(jì)矩陣

2.6 常用的3個(gè)HRF函數(shù)及其仿真

HRF函數(shù)是一個(gè)非線(xiàn)性函數(shù)，在響應(yīng)出現(xiàn)后大約5秒達(dá)到峰值，然后逐漸衰減，最后恢復(fù)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。這個(gè)HRF卷積設(shè)定的癇性放電時(shí)間沖擊函數(shù)形成仿真的BOLD信號(hào)變化。為了與原有的3個(gè)HRF函數(shù)理論模型進(jìn)行比較，把3個(gè)模型進(jìn)行仿真。

1)Gamma HRF函數(shù)，由式(1)定義

(1)

這里b=8.6，c=0.547，t是時(shí)間，單位為秒，峰值延遲是4.7秒，半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)約是3.8秒。仿真結(jié)果如圖2(a)所示。

2)Glover HRF函數(shù)，由式(2)定義

(2)

這里a1=6，a2=12，b1=b2=0.9，c=0.35，d1=5.4，d2=10.8。d1和d2分別表示第1個(gè)峰值(正向)延時(shí)5.4秒，第2個(gè)峰值(負(fù)向)延時(shí)10.8秒。仿真結(jié)果如圖2(b)所示。

3)SPM標(biāo)準(zhǔn)HRF函數(shù)，由式(3)定義

(3)

這里l1=l2=1，h1=6，h2=16，c=1/6，gamma(h)是標(biāo)準(zhǔn)的gamma變量，第1個(gè)峰值(正向)延時(shí)5.0秒，其FWHM是5.3秒；第2個(gè)峰值(負(fù)向)延時(shí)15.8秒，其FWHM是5.3秒9.2秒。仿真結(jié)果如圖2(c)所示。

圖2 3種HRF函數(shù)的仿真

2.7 響應(yīng)曲線(xiàn)的分類(lèi)和比較

利用SPM2工具，獲得覆蓋在玻璃腦上的癲癇放電的激活簇，首先找出每個(gè)被試在激活簇上的最大值點(diǎn)，用箭頭標(biāo)記，如圖3所。

圖3 覆蓋在玻璃腦上的全腦最大激活簇

然后為這些最大值集簇點(diǎn)繪制血氧動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的擬合曲線(xiàn)。在本研究中，根據(jù)觀察血氧動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的擬合曲線(xiàn)是否與標(biāo)準(zhǔn)的HRF函數(shù)的形態(tài)類(lèi)似分成兩類(lèi)：響應(yīng)曲線(xiàn)形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)HRF函數(shù)基本一致的曲線(xiàn)，如圖4(a)所示，及不一致的曲線(xiàn)，如圖4(b)所示。類(lèi)似于圖4(a)所示的響應(yīng)曲線(xiàn)被保留，類(lèi)似于圖4(b)所示的響應(yīng)曲線(xiàn)被排除在外。

圖4 HRF函數(shù)的選擇

然后根據(jù)所有保留的這些曲線(xiàn)，確定每個(gè)曲線(xiàn)的第0秒后的第一個(gè)正峰和第一個(gè)負(fù)峰的延時(shí)和幅度。然后分別統(tǒng)計(jì)這些延遲和幅度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，最后與Gamma生成的HRF函數(shù)、Glover生成的HRF函數(shù)及SPM中標(biāo)準(zhǔn)HRF函數(shù)進(jìn)行比較。

3 結(jié)果

通過(guò)上述處理過(guò)程，6個(gè)被試的18條同步EEG-fMRI數(shù)據(jù)被采集，然后生成18條血氧動(dòng)力學(xué)響應(yīng)曲線(xiàn)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)HRF函數(shù)比較發(fā)現(xiàn)其中11條的形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)HRF函數(shù)相似，得以保留，其余不一致的曲線(xiàn)就被拋棄不參與后續(xù)處理。如圖5所示。

圖5 對(duì)每個(gè)被試每個(gè)Session所做的響應(yīng)曲線(xiàn)

然后，把Gamma的HRF函數(shù)、Glover的HRF函數(shù)和SPM標(biāo)準(zhǔn)HRF函數(shù)與當(dāng)前研究的HRF函數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了比較，如表2所示。

表2 不同血氧動(dòng)力響應(yīng)的比較(單位：秒)

最后，把11條保留下來(lái)的響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)平均，得出在本研究工作中關(guān)于良性?xún)和d癇患者的一個(gè)平均HRF響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 兒童良性癲癇的HRF函數(shù)曲線(xiàn)

4 討論和結(jié)論

分析前面的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)基本理論模型的HRF函數(shù)(Gamma的HRF函數(shù)、Glover的HRF 函數(shù)和SPM標(biāo)準(zhǔn)HRF函數(shù))的仿真結(jié)果彼此都是存在差異。本研究中兒童良性癲癇患者的響應(yīng)曲線(xiàn)與它們也不相同，這個(gè)事實(shí)意味著，HRF函數(shù)在不同研究中不能獲得完全的一致，今后的相關(guān)研究要獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，必須進(jìn)一步獲取被試個(gè)性化的HRF函數(shù)，但是，如何為每一個(gè)患者估計(jì)一個(gè)可靠HRF的函數(shù)仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題，值得進(jìn)一步研究。另外，在本文中，只有6名受試者，樣本數(shù)偏少，今后隨著更多的被試參與相關(guān)的研究中來(lái)，將會(huì)得到會(huì)更穩(wěn)定和有價(jià)值的結(jié)果。